劉克勤，王直杰

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

隨著世界范圍內工業(yè)革命的爆發(fā)，各種能源的消耗越來越大。從現(xiàn)今全球范圍看來，能源問題已是重中之重，世界都在提倡節(jié)能環(huán)保。而從耗能方面來看，企業(yè)耗能大、浪費多等給社會造成很大負擔，同時對企業(yè)自身的發(fā)展也帶來了不利的影響[1]。企業(yè)不能僅靠提高設備利用率或降低能耗來節(jié)約資源，而應該對這些設備進行監(jiān)控與管理，將能源的計劃和消耗信息進行管理，從而達到節(jié)能減排的效果[2]。

能源管理系統(tǒng)(EMS)能夠對能耗數(shù)據(jù)進行分析和整理，對能源用量、能耗成本進行分攤，同時生成各種關鍵能耗指標并根據(jù)系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)進行需求側管理，從而發(fā)現(xiàn)生產過程中能源的浪費[3]。在企業(yè)的能源管理中，中國鋼鐵企業(yè)仍以相對落后的管理方式為主，己經不能夠適應當前鋼鐵生產的大型化、高速化和激烈市場競爭的需要。

1 鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)的需求分析

鋼鐵企業(yè)的EMS可以把分散的能源信息，利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備，實現(xiàn)能源信息的統(tǒng)一匯總，并進行計算和分析，通過數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，科學地得出每天、每周、每月、每季、每年各個生產工序的能源消耗情況[4]，從而科學地得出節(jié)能操作指導報告，從中挖掘節(jié)能潛力，為能源管理提出科學依據(jù)[5]。EMS根據(jù)分析節(jié)能效果的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)主觀和客觀控制額外節(jié)能，最終幫助企業(yè)實現(xiàn)能源管理、節(jié)能降耗、降低成本、提高生產效益[6]的目的。

2 鋼鐵企業(yè)EMS的架構設計

2.1 總體架構設計

鋼鐵企業(yè)的EMS采用C/S與B/S相結合的系統(tǒng)架構，整個系統(tǒng)框架以及應用均采用C/S模式，其后臺數(shù)據(jù)流采用B/S架構。系統(tǒng)的關鍵設備包括歷史數(shù)據(jù)庫服務器、實時數(shù)據(jù)庫服務器、含Web Service的應用服務器、I/O服務器、環(huán)保服務器，各類操作HMI，PLC，網絡交換機等，其中，歷史數(shù)據(jù)庫服務器、實時數(shù)據(jù)庫服務器和應用服務器全部為冗余配置,為集群系統(tǒng)[7]。EMS的總體架構設計如圖1所示。

EMS網絡架構按標準的三層結構設置 ,即核心層、匯聚層和接入層，其中核心層為冗余配置,核心層交換機為異地設置。同時，EMS設置現(xiàn)場工業(yè)以太環(huán)網,用于連接區(qū)域前置PLC、環(huán)保采集子站等設備。

圖1 EMS總體架構設計示意

2.2 硬件架構設計

鋼鐵企業(yè)EMS的設計運用了軟件設計中常用的分層設計思想，將EMS劃分為3個層次，其硬件架構設計如圖2所示，從下至上依次為數(shù)據(jù)感知層、傳輸層、應用層。

圖2 鋼鐵企業(yè)EMS的硬件架構示意

1) 感知層。感知層主要利用現(xiàn)場各類傳感設備，例如液位傳感器、智能電表、風口溫度傳感器、濕度傳感器、鼓風壓力傳感器等，采集EMS所需的各類能源數(shù)據(jù)。以鋼鐵生產過程中高爐煉鐵供料系統(tǒng)為例，采集的參數(shù)包括： 礦石(O)庫存量、焦炭(C)庫存量、供料開始時間、持續(xù)時間、礦批料長、焦批料長、供料速度等。

2) 傳輸層。鋼鐵企業(yè)EMS的傳輸層設計是根據(jù)生產管理、生產過程和管理系統(tǒng)的功能需求，傳輸層使用了串行總線技術以及工業(yè)以太網技術架構建設。目前，鋼鐵企業(yè)生產管理中比較常用的工業(yè)串行總線技術是采用RS-485電氣標準和Modbus通信協(xié)議，其最突出的特點就是實施起來比較簡單實用，并且目前大多數(shù)重工業(yè)企業(yè)的現(xiàn)場傳感器都支持RS-485與Modbus協(xié)議[8]。

3) 應用層。應用層提供了鋼鐵企業(yè)生產過程中能源消耗數(shù)據(jù)的采集、能源消耗數(shù)據(jù)的多維分析、匯總報表、生產優(yōu)化、生產配料管理與系統(tǒng)后臺管理等多項功能。通過能源數(shù)據(jù)采集匯總，可以幫助企業(yè)生產管理者全面了解鋼鐵企業(yè)各計量點能源的使用情況，并幫助企業(yè)管理實現(xiàn)鋼鐵生產過程能源優(yōu)化調度，從而配置最佳的入料參數(shù)使系統(tǒng)取得更好的管理和節(jié)能效果，有利于實現(xiàn)鋼鐵生產過程的管控一體化[9]。

2.3 軟件架構設計

鋼鐵企業(yè)的EMS的軟件架構如圖3所示，主要分為5個部分： 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)中間件、功能應用和數(shù)據(jù)展示。

圖3 鋼鐵企業(yè)EMS的軟件架構示意

1) 數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要通過兩種方式： 儀表計量，通過智能電力儀表、智能水表、燃氣表等末端采集裝置采集各種能耗數(shù)據(jù)；人工錄入，通過手動錄入的方式獲取設備信息、產量等數(shù)據(jù)。

2) 數(shù)據(jù)倉庫。系統(tǒng)建立對應不同視角的數(shù)據(jù)模型，并生成相應的數(shù)據(jù)倉庫，供EMS進行數(shù)據(jù)分析及評估。

3) 數(shù)據(jù)中間件。提供數(shù)據(jù)抽取及校驗、數(shù)據(jù)報表定時生成、數(shù)據(jù)權限分配管理、系統(tǒng)配置、計量儀表等各種基礎服務。

4) 功能應用。主要給用戶提供不同的業(yè)務功能模塊，呈現(xiàn)鋼鐵廠的能耗情況，并對能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析處理，幫助企業(yè)管理者尋找能耗漏洞，制訂生產計劃和節(jié)能方案。

5) 數(shù)據(jù)展示。系統(tǒng)提供多種靈活的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，支持包括工作站電腦、手機、平板等訪問方式，并針對操作人員、管理人員、領導等不同類型用戶的需求及權限顯示相應功能界面，便于用戶隨時隨地地了解相關能耗信息。

3 鋼鐵企業(yè)EMS的主要功能

鋼鐵企業(yè)的EMS功能從總體上分為兩大部分： 監(jiān)視與遠程控制功能；能源管理功能。監(jiān)視與遠程控制功能主要包括： 能源介質過程數(shù)據(jù)監(jiān)視、能源設備及主要工序運轉狀態(tài)監(jiān)視、能源設備遠程控制、大屏幕顯示。能源管理功能主要包括： 能源計劃編制、能源實績管理及質量管理、能源運行支持與調度、能源設備管理等。能源信息處理、能源故障處理是輔助功能[9]。系統(tǒng)功能架構如圖4所示。

圖4 鋼鐵企業(yè)EMS功能架構示意

4 應用效果

鋼鐵企業(yè)EMS投入實際運行后帶來諸多益處，主要有以下幾點：

1) 提高勞動生產率。由于部分車間實現(xiàn)無人值守并成立集中調度中心，這樣減少了動力系統(tǒng)定員。

2) 節(jié)能效益。利用水、蒸汽、風、電、煤、氣等各種能源計量設備，實現(xiàn)能源信息的統(tǒng)一匯總、計算、分析，提高能源介質的利用效率，使用該系統(tǒng)綜合節(jié)能可達20%左右。

3) 環(huán)保效益。能源消耗量減少，工業(yè)生產廢氣排放量降低，為節(jié)能減排、創(chuàng)建綠色工廠做出貢獻。

4) 提高了能源管理水平。公司及各生產廠領導能根據(jù)網上的實時數(shù)據(jù)進行生產決策，為領導決策提供了實時性和科學性參考。能源管理中心的建立使各生產廠能及時向公司匯報實時情況，避免了錯報、漏報、瞞報等情況的發(fā)生。

5) 為建立績效考核方案提供參考。工業(yè)生產型企業(yè)進行生產排班，靈活設置每個班組的生產時間段，自動導入或手工輸入班組產量，能耗系統(tǒng)統(tǒng)計每個班組的總能耗和單耗，橫向比較班組用能情況，有利于建立績效考核方案。

5 結束語

鋼鐵企業(yè)EMS用 Web Service 技術實現(xiàn)多系統(tǒng)集成，通過C/S與B/S相結合的架構實現(xiàn)了部署與訪問的靈活性[10]。該系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了能源數(shù)據(jù)的分布式和共享性，能源數(shù)據(jù)的智能化和集成化，能源接入的自由化和標準化，能源消費的互動式和個性化，可以營造安全、舒適、節(jié)能的辦公環(huán)境。建設企業(yè)級的EMS,是現(xiàn)代大中型鋼鐵企業(yè)實施信息化工程的需要[9]。它可以改進能源系統(tǒng)的運行管理和安全管理水平,完善能源生產和使用的評價體制，提高了勞動生產率,減少了能源消耗,增加了能源回收,改善了環(huán)境質量,對提高企業(yè)的市場競爭力具有重要意義。

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